【摘要】：實(shí)時在線交互應(yīng)用（Real-time Online Interactive Application, ROIA）是近年來出現(xiàn)的一種新的基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式應(yīng)用模式，包括大型多人在線游戲和交互式電子學(xué)習(xí)系統(tǒng)在內(nèi)的多種應(yīng)用系統(tǒng)都是實(shí)時在線交互應(yīng)用的典型應(yīng)用。 實(shí)時在線交互應(yīng)用環(huán)境中，由于用戶數(shù)量的動態(tài)變化以及用戶操作的不確定性等特點(diǎn)使得系統(tǒng)的資源利用率和應(yīng)對系統(tǒng)突發(fā)負(fù)載峰值的能力受到了很大的影響，所以一般要求實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備一定的伸縮性來適應(yīng)這種動態(tài)變化，亦即應(yīng)該具有通過改變可用硬件資源和調(diào)度方式來動態(tài)地調(diào)整自身整體性能的能力；系統(tǒng)良好的可伸縮性不僅可以提高系統(tǒng)的資源利用率，而且能夠提高系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)負(fù)載峰值的能力。因此，有關(guān)可伸縮的實(shí)時在線交互應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究對推動實(shí)時在線交互應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展具有重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實(shí)意義。 在實(shí)時在線交互應(yīng)用研究領(lǐng)域，目前大多數(shù)的研究僅局限于單一實(shí)時在線交互應(yīng)用內(nèi)部的可伸縮性問題上，沒有考慮多個實(shí)時在線交互應(yīng)用之間存在的互補(bǔ)性等特點(diǎn)，因而其研究方法存在一定的局限性；這使得實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)的資源利用率和應(yīng)對系統(tǒng)突發(fā)負(fù)載峰值的能力這兩個方面難以同時得到較大的提升。 本文針對這一問題，以提高實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)的資源利用率和應(yīng)對系統(tǒng)突發(fā)負(fù)載峰值的能力為主要目標(biāo)，重點(diǎn)對云計(jì)算環(huán)境下可伸縮實(shí)時在線交互應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究。這些內(nèi)容主要涉及到云計(jì)算環(huán)境下實(shí)時在線交互應(yīng)用的可容錯體系結(jié)構(gòu)、多實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)載均衡、實(shí)時在線交互應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)延遲和云計(jì)算環(huán)境下可伸縮多實(shí)時在線交互應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)問題。 論文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾個方面： （一）針對云計(jì)算環(huán)境下云節(jié)點(diǎn)的失效概率可能會增大，而傳統(tǒng)實(shí)時在線交互應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)并不能提供相適應(yīng)的容錯能力這一問題，提出了一種可伸縮的實(shí)時在線交互應(yīng)用容錯體系結(jié)構(gòu)（Scalable ROIA Fault-tolerant Architecture, SRFA）。SRFA結(jié)構(gòu)在一般的圖分割方法基礎(chǔ)之上增加了一個容錯結(jié)構(gòu)層，實(shí)時在線交互應(yīng)用中的虛擬世界被兩層不同粒度大小的六邊形單元格所覆蓋，每層單元格所組成不同的區(qū)域由不同的服務(wù)器所負(fù)責(zé)。在實(shí)時在線交互應(yīng)用中采用SRFA結(jié)構(gòu)將有利于實(shí)體進(jìn)行跨區(qū)域移動和實(shí)現(xiàn)服務(wù)器間的無縫遷移；也有利于為服務(wù)器提供崩潰保護(hù)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)；還有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)載均衡和提高硬件資源的利用率等。 （二）針對單一實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)難以在系統(tǒng)的資源利用率和應(yīng)對系統(tǒng)突發(fā)負(fù)載峰值的能力這兩個方面同時得到較大提升的問題，提出了一種新的可伸縮多實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)載均衡算法（Scalable Multi-ROIA Dynamic Load Balancing,SMRDLB）。SMRDLB算法在考慮了不同類型實(shí)時在線交互應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)延遲要求等多方面差異的基礎(chǔ)之上，充分利用了多種不同類型實(shí)時在線交互應(yīng)用在時延要求上不同、實(shí)時交互復(fù)雜度不同和負(fù)載峰值出現(xiàn)時間不同的這些特點(diǎn)，使得部署多種不同類型實(shí)時在線交互應(yīng)用的系統(tǒng)可以獲得更高的資源利用率和更好的應(yīng)對突發(fā)負(fù)載峰值的能力。 （三）針對新實(shí)時在線交互應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)中可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲有所增加以及網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高這兩方面的問題，提出了一種適應(yīng)于實(shí)時在線交互應(yīng)用的基于目標(biāo)預(yù)測的航位推算改進(jìn)算法（Goal-predicting Based Dead Reckoning, GBDR）。GBDR算法對傳統(tǒng)的航位推算算法進(jìn)行了改進(jìn)，并在某些適當(dāng)?shù)臅r間點(diǎn)引入了對移動目標(biāo)的推算，因此它提高了航位推算中預(yù)測的準(zhǔn)確率；由于預(yù)測準(zhǔn)確率的提高可以減少航位推算的誤差，能夠更加有效的減小網(wǎng)絡(luò)延遲對實(shí)時在線交互應(yīng)用的影響，并且能夠減少狀態(tài)更新信息的發(fā)送，從而有助于降低實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。 （四）提出了一種云計(jì)算環(huán)境下可伸縮的多實(shí)時在線交互應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)——多實(shí)時在線交互應(yīng)用云平臺（Multi-ROIA Cloud Platform, MRCP）。MRCP結(jié)構(gòu)充分利用了系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)和互補(bǔ)效應(yīng)，使得多實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)與單實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)相比較，整個系統(tǒng)具有較好的伸縮性，可以動態(tài)地調(diào)整自身的整體性能；另外，在系統(tǒng)的資源利用率和應(yīng)對系統(tǒng)突發(fā)負(fù)載峰值能力這兩個方面的性能也得到了較大的提高。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP302.8
【圖文】：

圖 2-1 分區(qū)與復(fù)制此類伸縮技術(shù)下，一致性比較容易維護(hù)，服務(wù)器采用基于更新的模型維護(hù)各自一致性。當(dāng)用戶跨區(qū)域時，需要主服務(wù)器、角色服務(wù)器（參考圖 5-1（b））等助將用戶的相關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到指定區(qū)域服務(wù)器。此類技術(shù)也是現(xiàn)在 MMOG 中最縮技術(shù)。）復(fù)制（Replication）復(fù)制[47,48]則是針對區(qū)域內(nèi)用戶密度很大時的一種伸縮方法。如圖 2-1 中的 D 區(qū)域中用戶密度很大，而且由于游戲情節(jié)和用戶交互的需要不能再劃分為更小的可以將整個區(qū)域復(fù)制在不同服務(wù)器，每個服務(wù)器計(jì)算維護(hù)一部分實(shí)體（稱為活的一致性狀態(tài)，其他的實(shí)體（稱為影子實(shí)體）的一致性狀態(tài)則通過服務(wù)器間同致性維護(hù)。如圖 2-1 中 D 區(qū)域復(fù)制到三個服務(wù)器上，每個服務(wù)器支持兩個活動個影子實(shí)體，通過將用戶狀態(tài)計(jì)算維護(hù)等工作均衡分布到三個服務(wù)器，使得 D以同時支持的用戶數(shù)量得到了伸縮。

在線交互應(yīng)用的時延要求差異交互應(yīng)用是一類包含比較廣泛的應(yīng)用，每個具體的實(shí)時在線同、實(shí)現(xiàn)方式不同等原因，因而其應(yīng)用對時延的要求也就會有最為常見的實(shí)時在線交互應(yīng)用——大型多人在線游戲（Massivee, MMOG）為例子。MMOG 根據(jù)游戲內(nèi)容、游戲策略等的不同很多不同的種類，例如大型多人在線角色扮演游戲（Massive-Playing Game, MMORPG）、大型多人在線第一人稱射擊游戲Online First-Person Shooting, MMOFPS）等。雖然這些 MMOG 求以保證其用戶有良好的用戶體驗(yàn)效果，但是這些不同種類的求卻不盡相同。aypool 等研究者[75, 76, 77]通過實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)不同類型的 MMOG 因式不同而對網(wǎng)絡(luò)時延的敏感程度不同。圖 3-2 清楚的表示出能與網(wǎng)絡(luò)時延之間的關(guān)系。

第三章 可伸縮多實(shí)時在線交互應(yīng)用系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)載均衡算法Scape 在歐洲、美洲等多個地區(qū)部署有相應(yīng)的服務(wù)器組。Vlad Nae 在文獻(xiàn)[4集到的 RuneScape 服務(wù)器相關(guān)數(shù)據(jù)作了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析。 3-3 描述了 RuneScape 的全球同時在線用戶數(shù)量的變化情況。圖中縱坐標(biāo)在線用戶數(shù)量，橫坐標(biāo)是記錄的時間。從圖中可以看到 RuneScape 的全球同數(shù)量變化幅度很大，最高值和最低值之間的差值可以有大約 2,000,000 之多明良好的可伸縮性對于提高實(shí)時在線交互應(yīng)用的資源利用率十分重要。另外 RuneScape 的全球同時在線用戶數(shù)量變化比較頻繁，大概以一天為一個周期。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2780786